CN1169612A - 永磁场型旋转电机 - Google Patents

Abstract

一种永磁场型旋转电机,其转子铁芯由单一化学成分材料制成,该材料由铁磁性和非磁性区组成。非磁性区由重熔和凝固金属结构和仅加热和冷却的金属结构组成,并且此非磁性区位于所述转子铁芯产生漏磁的部分上。

Description

永磁场型旋转电机

本发明涉及一种旋转电机，如电动机或发电机。

通常该旋转电机为感应型，其与三相电流适当连接。然而，在近年来，由于高容量永磁体的出现和计算机辅助磁场分析技术和功率电子技术的发展，使用永磁场的无刷DC型旋转电机和磁阻型旋转电机正在越来越多地用于大功率应用，而过去在这种大功率应用中通常主要使用感应型旋转电机。无刷DC型旋转电机和磁阻型旋转电机由于其转子不需要接收电流从而具有比感应型旋转电机高的工作效率和冷却效率。

图10表示传统无刷DC电机基本部件截面图，其具有表面磁体型转子60。

在图10中，多个永磁体1相互以预定间隔安装在转子铁芯2的外部周边上。均具有弧段形状的永磁铁1在径向上被磁化。转子铁芯2安装于转轴8上，以形成表面磁体型转子60。定子铁芯3与转子60相对，其间具有空气间隙9。参考标号4表示定子绕组，20表示定子。来自安装在转子60外围上永磁体1a磁极N的磁通A形成闭合回路，其按箭头所示通过相应的定子铁芯3a和3b的一部分、两个空气间隙部分9、具有与永磁体1a相反极性的永磁体1b和转子铁芯2，返回永磁体1a的磁极S。当电流通过定子绕组4时，转子60在由转子60和定子绕组4之间的电磁作用而产生的转矩下转动。

然而，在转子60高速转动或具有大直径的情况下，由于永磁体1是使用例如粘合剂而固定到转子铁芯2的周边表面的，所以会存在永磁体1在大离心力的作用下与转子铁芯2分离的危险。

另一方面，有一种传统的表面磁体型转子70还具有圆筒形套，如图11所示，其中圆筒形套5围绕在每个均具有弧段形的永磁体1的外表面上，以便承受作用在永磁体1上的离心力，用以防止它们与转子铁芯2分离。在附图中，标号8表示转轴。圆筒形套5可由铁磁性或非磁性材料制成，如整体金属构件或由包含碳纤维的线绕人造纤维制成的构件。该套在例如空调电机中已投入实际使用。

针对永磁体的分离问题，图12示出了另一个转子实例，它是传统的内置磁体型转子80，其包括转子铁芯2，其中嵌有永磁体1。当转子80转动时，作用在永磁体1上的离心力由转子铁芯2外部周边区域承受。

如果图11所示的圆筒形套5由非磁性材料制成时，转子70和定子(未图示)之间的空间，即空气间隙9会随圆筒形套5的厚度而增加，由此会减少永磁体1的有效磁力线数，也就是说，比图10所示永磁体1的表面直接面对空气间隙9的表面磁体型转子60的有效磁通量少。

如果图11的圆筒形套5是由铁磁材料制成时，会出现漏磁通C，其由永磁体1a开始通过圆筒形套5达到永磁体1b，永磁体1b具有与永磁体1a相反的极性。漏磁通C不穿过定子绕组(未图示)，因此它不会对电动机的转矩或发电机中的电力产生作出贡献。在该转子70中，有效磁力线的数量也少于图10的永磁体1直接面对空气间隙9的表面磁铁型转子60。

在图12的内置磁体型转子80的情况下，来自永磁体1的磁通一定是通过转子80的外表面和空气间隙9到定子(未图示)。由此，转子铁芯2必然需要是铁磁性的。在该转子铁芯中，所谓漏磁B是在永磁体1的磁极周围产生的，使得永磁体1的有效磁力线数与具有图11圆筒形套5的表面磁体型转子70相比减少了。

图13是用于磁阻型旋转电机的传统转子基本部分的截面图。

图13的磁阻型转子90包括转子铁芯2，它是由磁性材料层6和非磁性材料层7交替相叠而成，并且固定在转轴8上。当旋转交变磁场通过空气间隙9由定子侧(未图示)作用在转子90上时，该旋转磁场的磁通则易于沿转子90的轴d所示方向通过磁性材料层6，但难以沿轴q所示方向通过交替的磁性材料层6和非磁性材料层7。考虑到在定子(未图示)任何位置上的绕组与转子90之间的关系，根据转子90的转动角将会出现电感差，它是磁阻电机和类似电机的原理。在这里，磁阻电机的转子被称作内置磁阻型多层转子，它包括转子铁芯2(图13)，并且由交替相叠的磁性和非磁性材料层6和7组成，并且其安装在转轴8上。关于生产传统的内置磁阻型多层转子，其在JP-A-6-311677中公开了一种方法，其中具有预定形状的磁性和非磁性板6和7交替叠置，并通过螺钉或类似物相互结合在一起，并且还提出了另一种方法，其中叠置有许多圆片，其每片均是由硅钢片制成的，并且除在圆片周边区域以外的区域形成有许多开孔，该开孔是非磁性区域。这种用于磁阻型转子的转子铁芯均不具有优良的机械强度可靠性和优良的制造性。

另一方面，已使用了复合磁性材料来补充机械强度并增加磁效率。例如，在JP-A-7-11397中公开了一种复合材料，其中磁性不同的部分(磁性和非磁性部分)，也就是在微观结构上不同的部分，相互共存。JP-A-6-245418公开了一种使用这种材料的电机，其中合金钢被处理得具有机械变形和热磁滞，使得其一部分与另一部分的磁性能不同。JP-A-6-245418描述了图11的圆筒形套5的设置，使得永磁体1的磁力线通过在永磁体1的磁极之间的径向外侧提供非磁性部分663和在永磁体径向外侧提供铁磁性部分650而有效地从转子70上取得。非磁性部分663是通过在由奥氏体转变温度以上到熔点以下的范围内将其加热然后局部冷却而制得。

在JP-A-7-11397中公开的复合磁性材料的最大磁通密度(Bs)在3980A/m(50Oe)的磁场强度下测量为0.8泰斯拉(T)。对于包含0.8T或以上剩磁通密度(Br)的永磁体的转子来说，如果构成转子的转子铁芯的最大磁通密度(Bs)小于0.8T时，永磁体的磁通在转子铁芯上会磁饱和，从而使有效磁通不能有效地达到转子的外表面上，由此转子的磁效率会大大地降低。由于上述原因，具有1.2或以上的剩磁通密度的磁体，尤其是在该剩磁通密度水平下的Nd-Fe-B各向异性烧结磁体必须具有1.2T或以上的最大磁通密度，最好为1.3T或以上的复合磁性材料用于旋转电机。

旋转电机，尤其是用于汽车的电机，必须满足严格的低温要求，其包括比-40℃或以下还低的最低环境温度范围。

上述复合磁性材料的最大磁通密度可通过减少其铬或镍的含量而设置为1.3T或以上。然而，其问题是，铬或镍含量的减少会导致缺乏奥氏体稳定元素(如镍)，并因此使复合磁性材料中的非磁性部分的奥氏体相不稳定，并且在上述低温范围下转变为零下(-)10℃左右的另外磁相。

图14是在0.6wt％含碳量下修正的Fe-Cr二元系统的相图。如图所示，奥氏体相出现大约700℃到不低于900℃的高温范围下和0-15wt％Cr的范围内。由奥氏体相组成的非磁性材料可以通过将0.6wt％的C、0-15wt％的Cr和余量Fe以及不可避免的杂质组成的合金在大约1000℃下加热，然后在保持奥氏体而不出现铁素体相的冷却速度下迅速冷却合金而获得。

下面描述一种形成转子铁芯的方法，其中铁芯包括铁磁性和非磁性部分，它是通过例如局部加热不锈钢JIS SUS420J2然后将其冷却而制成。马氏体不锈钢JIS SUS420J2包括0.26-0.40wt％的C、不大于1.00wt％的Si、不大于1.00wt％的Mn、不大于0.040wt％的P、不大于0.030wt％的S、12.00-14.00wt％的Cr和不可避免的杂质。如果将不锈钢经过在700-900℃下加热1-2小时随后逐渐冷却的热处理，就象通常所作的那样，以改进铁磁性能，则其在室温下具有复合结构(铁磁结构)，即由铁素体相和偏折碳化物组成。偏析碳化物，即使加热到不低于奥氏体转变温度并低于不锈钢的熔点时，也不会容易地溶解到铁素体相中。因此，就由铁磁部分和非铁磁部分组成、由JIS SUS420J2材料制成、包括贫碳部分(也就是说，偏析碳化物部分)(碳是奥氏体稳定元素)的转子铁芯来说，通过将其进行局部加热并随后迅速冷却的热处理以获得非磁性部分，也就是说，将材料进行局部加热到不低于奥氏体转变温度至低于熔点的温度范围、随后使其迅速冷却的热处理，如果将该转子铁芯应用于暴露于例如零下(-)40℃的低温下的汽车旋转电机的话，在转子铁芯中局部形成的非磁性部分的奥氏体相会转变为铁磁性铁素体相。这使得转子铁芯的非磁性部分失去其限制漏磁的能力。仅仅加热JIS SUS420J2合金，使其局部达到不低于奥氏体转变温度和低于熔化点的温度范围并随后冷却合金，会使局部形成的非磁性部分的相对磁导率(μs)在零下(-)40℃左右下达到非常高。因此，使用由如此热处理JIS SUS420J2合金制成的部件的电动机和发电机的磁效率在零下(-)40℃左右下会极度降低。

在上述技术背景下，本发明的目的就是提供一种旋转电机，其在最低零下(-)40℃下仍具有十分高的磁效率。

按照本发明的第一方面，提供一种永磁场型旋转电机，其包括内置磁体型转子，它的转子铁芯具有安装在其中的多个永磁体，其中转子铁芯是由单一的化学成分材料制成的，其包括铁磁性和非磁性区，非磁性区是由重熔并凝固的金属结构和仅加热并冷却的金属结构(或热影响结构)组成，并且位于转子铁芯产生漏磁的部分上。按照这样的转子铁芯，在非磁性区包括不低于30vol％重熔并凝固的金属结构的情况下，旋转电机的磁效率在低温范围下仍可保持良好。

按照本发明的第二方面，提供一种永磁场型旋转电机，其具有表面磁体型转子，该转子包括转子铁芯、安装在转子铁芯周边表面上的永磁体和覆盖该磁体的圆筒形套，其中圆筒形套是由单一化学成分材料制成的，该套包括铁磁性区和非磁性区，非磁性区是由重熔并凝固的金属结构和仅加热并冷却的金属结构(或热影响结构)组成，并且位于圆筒形套产生漏磁的部分上。按照这样的圆筒形套，在非磁性区包括不低于30vol％重熔并凝固的金属结构的情况下，旋转电机的磁效率在低温范围下仍可保持良好。

按照本发明的第三方面，提供一种磁阻型旋转电机，其具有一转子，该转子包括由单一化学成分材料制成的转子铁芯，其具有铁磁性和非磁性区，非磁性区是由重熔并凝固的金属结构和加热并冷却金属结构(或热影响结构)组成。按照这种转子铁芯，非磁性区包括不低于30vol％重熔并凝固的金属结构的情况下，旋转电机的磁效率在低温范围下仍可保持良好。

在本发明中，已知的奥氏体不锈钢和/或铁素体不锈钢可用作用于转子铁芯的复合结构材料，其包括铁磁性和非磁性区。

如果能够使得在铁磁性区局部形成的非磁性区在降到零下(-)40℃的低温下是稳定的，那么就可将奥氏体不锈钢如JIS SUS420J2和JIS SUS403用作本发明转子铁芯的材料。JIS SUS420J2的奥氏体不锈钢是由0.26-0.40wt％的C、不大于1.00wt％的Si、不大于1.00wt％的Mn、不大于0.040wt％的P、不大于0.030wt％的S、不大于0.60wt％的Ni、12.00-14.00wt％的Cr和余量Fe以及不可避免的杂质组成。

在碳作为转子铁芯钢在低温范围下的主要稳定剂的情况下，可以使用合金钢，其在化学组成上类似于JIS SUS440A，JIS SUS440A由0.40-1.20wt％的C、不大于1.00wt％的Si、不大于1.00wt％的Mn、不大于0.04wt％的P、不大于0.03wt％的S、不大于0.60wt％的Ni、12.00-14.00wt％的Cr和余量Fe以及不可避免的杂质组成的。

可使用已知的磁性不锈钢用于转子铁芯，其包括增加量的Ni用作奥氏体相的稳定剂，而不是增加碳，因为过量的碳会使转子铁芯钢易于腐蚀，其化学成分组成为，例如，0.26-0.70wt％的C、不大于1.00wt％的Si、不大于1.00wt％的Mn、不大于0.40wt％的P、不大于0.03wt％的S、不大于8.00wt％的Ni、12.00-14.00wt％的Cr和余量Fe以及不可避免的杂质。

着重于本发明转子铁芯非磁性区的低温稳定性，显著增加转子铁芯钢中碳和镍的含量是十分有效的。在这种情况下，可使用一种已知的磁性不锈钢，其是由1.20wt％的C、不大于1.00wt％的Si、不大于1.00wt％的Mn、不大于0.40wt％的P、不大于0.03wt％的S、不大于8.00wt％的Ni、12.00-14.00wt％的Cr和余量Fe以及不可避免的杂质组成的。

在本发明中，非磁性区(重熔/凝固和加热/冷却区)可以通过激光束、电子束、高温等离子、高频感应加热或类似的加热装置等产生。然而加热装置不限于上述的那些，其还可以是已知的局部加热装置。

按照本发明，具有高效率和在机械强度上具有高可靠性等等的旋转电机可以使用一定材料制成的转子铁芯制成，该材料包括铁磁性和非磁性区，铁磁性区具有最大磁通密度(Bs)，非磁性区具有不大于2μs的相对磁导率，至少在降到最低约零下(-)40℃的环境温度下是稳定的。

附图的简要说明：

图1是表示本发明转子基本部分的透视图；

图2是表示本发明转子电机基本部分的截面图；

图3是表示本发明另一转子基本部分的截面图；

图4是表示本发明另一转子基本部分的透视图；

图5表示按照本发明的转子铁芯铁磁部分的磁特性曲线(B-H曲线)，其具有565最大磁导率(μ_s)，10.5(Oe)的矫顽力(Hc)，和B₅₀12.3(kG)(在50Oe下)和B₁₀₀13.6(kG)(在100Oe下)的磁通密度，其中“B”的单位是“kG”，“H”的单位是“Oe”；

图6表示本发明转子铁芯的非磁性部分的磁特性曲线(B-H曲线)，其具有1.1的最大磁导率(μ_s)，其中“B”的单位是“kG”，“H”的单位是“Oe”；

图7是表示本发明重熔/凝固金属结构的照片；

图8A是表示按照本发明重熔/凝固区显微结构的照片，其中a1表示基相和a2表示碳化物颗粒；

图8B是表示按照传统的方法只加热/冷却区的显微结构的照片，其中b1表示基相和b2表示碳化物颗粒；

图9表示按照本发明转子铁芯非磁性部分的线分析结果；

图10是传统转子基本部分的截面图；

图11是传统转子基本部分的截面图；

图12是传统转子基本部分的截面图；

图13是传统转子基本部分的截面图；和

图14是在0.6wt％下的碳修正的Fe-Cr二元系统的相图。

在图1中，转子铁芯65包括多个薄板67，该板在轴向上相互叠置，并且安装到转轴8上。在转子铁芯65中，阴影部分660表示非磁性区，其由重熔/凝固金属结构和加热/冷却金属结构组成，而部分650是铁磁性区。如后所述，两种类型区660和650具有基本上相同的化学组成，其在薄板材料误差范围内变化。按照在大约零下(-)40℃低温范围下使部分660稳定的观点来看，其最好是由不少于30vol％的重熔/凝固结构组成。部分650在周边区域上分别带有磁极N和S。转子铁芯65(薄板67)具有四个通孔68，其中嵌入永磁体1。将永磁体1安装到通孔68中，并用如环氧系列粘合剂粘接到转子铁芯65上。如附图所示，永磁体1具有磁极N和S，并且使总共四个磁极N和S通过非磁性区660以规定间隔产生于转子周边区域10上。

图2是具有内置磁体型转子(图1)的电动机的基本部分截面图。将阴影的非磁性区660设置在转子铁芯65上出现漏磁的位置上，使得不产生导致少量漏磁通的磁通短路B，由剖视线所示。磁通A示意地表示用于电动机输出的有效磁通。在图2中，如果不存在部分660的话，将会产生漏磁通B，因此在转子铁芯65的任何位置上可形成非磁性区，其可以抵御想象的漏磁B。具有74mm外径和23mm轴向厚度的转子10的转子铁芯65包括一具有30mm直径的中心孔200用于转轴8，和可插入永磁体1的矩形通孔68，永磁体1在磁化方向上具有3.5mm的厚度，在径向上具有16mm的宽度并在轴向上具有23mm的长度。在各通孔68与转子铁芯65外表面和中心孔200之间最小距离分别为3mm。薄板为0.45mm厚。在定子20和转子10之间最小距离t为3mm，该定子和转子构成电机。该3mm的最小距离可通过在良好尺寸精度的条件下减小转子10的转动偏心度而获得，其中转子10外部周边的偏心度不大于0.05mm，并且定子铁芯20的部分20a的垂直度或偏移不大于0.05mm。永磁体1使用的是具有1.15T剩磁通密度(Br)的Nd-Fe-B烧结各向异性磁体(由日立金属公司生产的商标名为HS-32BV)。

转子铁芯65由例如奥氏体不锈钢制成，该钢由0.6wt％的C(碳)、13wt％的Cr和余量的Fe以及不可避免的杂质组成。该不锈钢在磁场中退火以使其具有铁磁性，由此它具有最大饱和磁通密度(Bs)为1.4T，并且在20℃下具有矫顽力(Hc)为10Oe，如图5中的B-H特性曲线所示，其足以用作转子铁芯65的材料。

将由该材料制成的板，其具有上述铁磁性能和100mm×100mm×1mm的尺寸，切成薄板67(图1)。将所得各薄板67利用CO₂激光束在3.5kW输出和2m/分钟扫描速度条件下进行局部加热，以熔化并接着冷却预定区域而凝固，使得产生非磁性区660。所形成的非磁性区660是2-4mm宽，并且基本上是直线的。这里，加热物体使其熔化并接着冷却以凝固的方法称作“重熔热处理”。该热处理在空气中完成，并且氩气由激光头向薄板的前表面以及其相反面吹入。

图7表示在薄板67外周边表面上所形成的非磁性区660的径向截面图。在图1和7中，相同的标号表示相同的部分。

如图7中所示，非磁性区660是由具有枝晶结构的重熔/凝固区661组成。热影响662通过加热到不低于奥氏体转变温度而低于铁磁性母材65熔点的温度而制成。在图7中，重熔/凝固区661与热影响非磁性区662的体积比为70％∶30％，热影响区662是通过在熔点以下加热并随后冷却而形成的。

下面，就非磁性区660进行比较试验。在试验中，将对应于非磁性区660的一部分薄板67在另外的热处理条件下进行加热，其条件不同于重熔热处理，并且其中采用CO₂激光束在氩气氛中进行加热，使温度达到不低于奥氏体转变温度并低于薄板材料的熔点，然后在氩气氛中进行冷却以形成非磁性区(对应于图11中的区663)，其中该区不熔化。下面将该热处理称为“非熔化热处理”，并且其包括如加热有关部分达到1100℃的热处理温度1秒钟。

就薄板67所形成的区660的截面来说(图7)要在15kV，0.1μA和光束直径5μm的扫描条件下采用电子束显微分析仪(EPMA)进行电子束分析，其中扫描是在铁磁性区650(也就是，基材65)、热影响区662和重熔/凝固区661上以箭头E所示(图7)的顺序进行。电子束分析的结果示于图9中。可注意到，该电子束分析是相对于不可缺少的碳和Cr元素，以及不可避免的Si和Mn杂质元素的量而进行的。在图9中，横坐标表示薄板67试样的扫描位置，左侧的纵坐标表示碳、Cr、Si和Mn各元素。

通过图9的曲线，可以证实，在铁磁性区650(母材65)、热影响区662和重熔/凝固区661之间的碳、Cr、Si和Mn的量没有明显的不同，并且其差异均在母材65的偏差范围内，因此这三个区基本上具有相同的化学组成。

另外，对于经过“重熔热处理”的区660和经过“非熔化热处理”的对应部分(其对应于图11中的部分663)在室温20℃下借助于X射线衍射方法对于其结晶结构进行检查，其结果表明，两部分或区域均具有非磁性奥氏体结构。

就磁特性来说，对经过“重熔热处理”的区660和经过“非熔化热处理”的对应部分(其对应于图11中的部分663)在室温20℃下进行检查，结果示于图6中，它是B-H曲线。从曲线中我们可以看到，上述的两个非磁性部分或区域在20℃的室温下具有大约1.1的相对磁导率(μs)，其满足了μs≤2的非磁特性，因此它们在室温下可以很好地抑制本发明旋转电机中的漏磁。值得注意的是，该大约1.1的相对磁导率(μs)是优异的非磁特性，它大致上等于空气的磁导率。然后，将具有奥氏体结构的两非磁性部分或区域浸在液态甲醇冷却剂中约30分钟，其中温度通过添加干冰由零下(-)10℃调到零下(-)60℃，以便检查它们由奥氏体相到铁素体相的转变温度。以后，将两非磁性部分或区域从冷却剂中拿出使其温度达到20℃的室温，并检查其晶体结构。表1示出了试验结果。

表1

温度℃	熔化热处理(重熔/凝固区661)	非熔化热处理(非熔化区663)
			20	A	A
-10	A	A
			-20	A	A
-30	A	F
			-40	A	F
-50	A	F
			-60	A	F

^*注：A＝奥氏体相，F＝铁素体相

根据表1，可以证实，“非熔化热处理”部分(其对应于图11中的部分663)已在零下(-)20℃以下由奥氏体相转变为铁素体相。还可以证实，其转子铁芯对应于图2并且包括“非熔化热处理”部分(其对应于图11的部分663)以代替非磁性部分660的电机，在低于零下(-)20℃的温度范围内由于突然增加的漏磁而使电机效率变差。

另一方面，可以证实，经过“重熔热处理”的区660的重熔/凝固区661是稳定的，并且即使在温度零下(-)60℃下也不会改变其金属结构。还可以证实，图2所示电机，其转子铁芯由重熔/凝固区661作为非磁性区，即使在温度零下(-)60℃下也会象在室温(20℃)下一样具有优良的电机效率。

关于作为非磁性区的660的一部分的热影响区662，还可以证实，金属结构在低于零下(-)20℃的温度范围内由奥氏体相转变为铁素体相，其会象表1中的“非熔化热处理”部分(其对应于图11中部分663)一样。

在图8A和8B中分别示出了重熔/凝固区661和“非熔化热处理”部分(其对应于图11中的部分663)的金属结构，这是通过电子显微镜观察到的。从图8A可以观察到少量的沉积碳化物颗粒，而从图8B中可以观察到大量的沉积碳化物颗粒。就图8A和8B中沉积碳化物颗粒在相应显微照片中的总面积中所占面积大小来说，图8A的面积(重熔/凝固区661)约为图8B(“非熔化热处理”部分)的1/40。由此，可以相信，在将金属薄板局部进行“非熔化热处理”以便将处理区域变为非磁性的情况下，已经沉积的碳化物不能溶解到基体中，并且该沉积碳化物只能借助于本发明的“重熔热处理”才可溶解在基体中，由此基体的有效碳量增加，使得在薄钢板上局部形成的奥氏体相会更稳定，以便保持在最低零下(-)60℃的温度下。

在图7中，当重熔/凝固区661与非磁性热影响区662的体积比为70％∶30％时，按照本发明实际应用的观点，该比值最好在特定范围内进行优选。

例如，对于图2所示旋转电机，其转子铁芯10具有多个非磁性区660，其中每个区在转子铁芯10外围表面上具有2-4mm的宽度，如果改变重熔/凝固区661与非磁性热影响区662的体积比的话，在非磁性区660上，重熔/凝固区661的宽度W₆₆₁与非磁性热影响区662的宽度W₆₆₂的比自然也变化。在重熔/凝固区661小于30vol％的情况下，将会很难抑制在零下(-)40℃的温度下出现漏磁B，因为宽度W₆₆₂的部分由非磁相转变为磁相的，其导致了重熔/凝固区661的宽度W₆₆₁会等于或小于上述空气间隙的各个距离，其中每个重熔/凝固区661均为与转子铁芯10和定子铁芯20a(图2)之间空气间隙相邻的非磁性区。因此，实际上对于重熔/凝固区661来说，可设置其量为不小于30vol％，使得在零下(-)40℃的温度下将漏磁B抑制到具有图12所示转子80的传统旋转电机漏磁的大约30％。

如果在非磁性区660(图2)上的重熔/凝固区不小于50vol％的话，可将漏磁B在零下(-)40℃的温度下抑制到上述传统旋转电机漏磁的大约10％。

进一步地，如果在非磁性区660(图2)上的重熔/凝固区不小于70vol％的话，可将漏磁B在零下(-)40℃的温度下抑制到上述传统旋转电机漏磁的大约百分之几。

应当注意的是，考虑到转子铁芯材料的热导率，只由重熔/凝固区661来形成非磁性区660实际上是不可能的，考虑到重熔/凝固区661会使与转子铁芯10和定子铁芯20a(图2)之间空气间隙相邻的转子铁芯65外表面的尺寸精度变差，在非磁性区660上的重熔/凝固区661的体积量的上限应加以适当的确定。

在图3中示出了本发明旋转电机的另一实施例，图中是该电机的基本部分截面图，并且其中与图11相同的参考标号表示相同的部件。

在图3中，转子铁芯30包括圆筒形套15，它是由上述材料制成的，该材料由铁磁性区650和非磁性区660组成，并且其具有的化学组成按重量计为，0.6％的碳、13％的Cr和余量的Fe以及不可避免的杂质。非磁性区660位于永磁铁1磁极之间产生漏磁的位置上。圆筒形套15有1mm厚，并且套15与定子(未图示)之间的空气间隙距离9为0.5mm。

按照转子铁芯30，其有效磁通与具有相同结构和尺寸而其圆筒形套完全由非磁性材料制成的转子铁芯30相比会增加10％的量。按照本发明的电机(未图示)，其包括具有圆筒形套15的转子铁芯30，该套由铁磁性区650和非磁性区660组成，显示出在即使零下(-)60℃下与在室温(20℃)下一样具有优良的电机功率。相比之下，传统电机，其包括具有圆筒形套5的转子铁芯70(图11中所示)，该套由“非熔化热处理”部分的非磁性区663组成，在低于零下(-)20℃的低温范围下由于大大增加了漏磁使电机效率明显地降低。

在图4中示出了本发明旋转电机的另一实施例，该图是此电机基本部分的透视图，其中与图13相同的参考标号和符号表示相同的部件和部分。

转子铁芯50，其为多层内磁阻型，由多个薄圆板77制成，其每个圆板均具有中央通孔80，并且是由交替的铁磁性区650和非磁性区660组成的，它们是通过采用CO₂激光束的“重熔热处理”方法制成的，并且它们是相互叠置和固定的，使得薄圆板77的所有铁磁性区650和所有非磁性区660分别相互排成直线。转子铁芯50具有相当好的凸极比(ξ＝Ld/Lq＝12)，其定义为沿容易磁化的轴“d”的方向与沿难磁化的轴“q”的方向上的电感之比。由转子铁心50组成的磁阻型电机(未图示)即使在零下(-)60℃也显示出与室温(20℃)下基本相同的优良电机功率。相比之下，传统的磁阻型电机，其包括具有对应于非磁性区663(图11)的“非熔化热处理”部分非磁性区7的转子铁芯2(图13中所示)，在低于零下(-)20℃的低温范围下由于大大增加了漏磁使电机效率明显地降低。在这里，还要进一步讨论关于转子铁芯30和50(图3和4)的非磁性区的宽度。

关于转子铁芯30，已证实，在邻于空气间隙9的表面上重熔/凝固区661具有1mm宽度(W₆₆₁)、相邻于空气间隙9的表面上非磁性热影响区662存在于区661的两侧上且宽度为1mm(W662)、区661和662构成了非磁性区660的情况下，非磁性热影响区662在零下(-)40℃的温度下转变为磁性相，从而得到1mm宽度(W₆₆₁)的非磁性区660。在这种情况下，如果非磁性区660的宽度(W₆₆₁)不大于空气间隙9的距离(例如，1.0mm)的话，将很难抑制漏磁C(图3)。因此，应当使重熔/凝固区661具有不小于30vol％的非磁性区660，以便保持圆筒形套15上的重熔/凝固区661的宽度(W₆₆₁)在零下(-)40℃的温度下大于空气间隙9的距离。情况正是这样，按照由转子铁芯30组成的旋转电机，在零下(-)40℃的温度下可以将漏磁的量抑制到由传统转子铁芯70(图11)组成的旋转电机漏磁的大约30％。如果重熔/凝固区661为非磁性区660的50vol％的话，在零下(-)40℃的温度下可以将漏磁的量抑制到由上述传统转子铁芯70(图11)组成的旋转电机漏磁的大约10％。在重熔/凝固区661不小于70vol％的情况下，上述数值可为传统旋转电机的百分之几。

还是在由转子铁芯50组成的磁阻型电机中，在非磁性区660上的重熔/凝固区661的宽度(W₆₆₁)小于转子铁芯50和定子(未图示)之间的空气间隙9的距离的情况下，交变磁场不仅沿易磁化的轴“d”通过，而且还沿难磁化的轴“q”通过，从而使凸极比(ξ)降低。因此，为了保持在零下(-)40℃的温度下使转子铁芯50中的重熔/凝固区661的宽度(W₆₆₁)大于空气间隙9的距离，最好使得重熔/凝固区661不小于非磁性区660的30vil％，更优选的是不小于50vol％，和最理想的是不小于70vol％。

如上所述，用于本发明旋转电机转子铁芯的复合磁性材料是由铁磁相和非磁相组成的，其中铁磁相是由铁素体相和碳化物组成的，非磁相是通过局部重熔具有铁磁相的初始或起始材料然后凝固重熔部分而形成的，并且其中非磁相基本上具有与铁磁相相同的化学组成，换句话说，非磁相具有的化学组成在铁磁相初始或起始材料的偏差范围内。用于本发明转子铁芯中的铁磁性钢材料包括适当量的Cr，以便保证耐腐蚀性，并且可包括增加量的碳和/或Ni，以使奥氏体相稳定。由于这些合金元素使铁磁性钢材料在最大磁通密度(Bs)方面降低，因此应当将其设定为适当的重量百分比，即不大于1.20％的碳、不大于8.00％的Ni和12.00-14.00％的Cr，以便使材料的最大磁通密度(Bs)保持不小于0.8T，更好不小于1.2T，最好是不小于1.3T。

在强调磁性材料的最大磁通密度(Bs)的情况下，可以使用上述磁性不锈钢，其对应于JIS SUS420J2。按照由该磁性不锈钢制成的上述转子铁芯组成的旋转电机，即使在大约零下(-)40℃的低温范围内，转子铁芯仍具有稳定的非磁性区奥氏体相，使得旋转电机即使在如此低温下仍具有优良的磁效率。

进一步地，在本发明中，由于转子铁芯借助于“重熔热处理”而带有非磁性区，因此转子铁芯具有较小的应变，因此它具有优良的加工性包括冲压。

下面，将参照附图1、2、3和4所示实施例来描述一些改进。

图1和2所示转子铁芯65通过相互叠置多个薄钢板67而制成，使得薄钢板67的所有铁磁性区和所有非磁性区分别相互对齐。另外，例如，薄钢板67可由四个分隔部分组成，如剖视线31所示(图1)。该分割的分隔部分可制成使得每个分隔部分包括铁磁性区650和非磁性区660，并且分割部分的数量可根据转子铁芯设计和制造条件而适当的加以确定。另一方面，转子铁芯65由多个薄板制成并不总是必需的，它可以由单块材料制成，其象图1中所示的转子铁芯一样包括铁磁性区650和非磁性区660。

当图3所示转子铁芯30的圆筒形套15由单一构件制成时，可选择地，例如它可以由两个分隔部分组成，如点划线35所示(图3)。该分割的分隔部分的制造使得其每个分隔部分包括铁磁性区650和非磁性区660，并且分割部分的数量可根据转子铁芯的设计和制造条件而适当地确定。

当图4所示转子铁芯75是通过相互叠置多个薄圆板77而制成时，其每个薄圆板均是由单一构件制成的，可选择地，例如薄圆板77可由四个分隔部分组成，如剖视线38所示(图4)。该分割的分隔部分可制成使得其每个分隔部分包括铁磁性区650和非磁性区660，并且分割部分的数量可根据转子铁芯的设计和制造条件而适当地确定。另一方面，并不总是要求转子铁芯75由多个薄板制成，而它也可以由单块材料制成，其象图4所示的转子铁芯一样包括铁磁性区650和非磁性区660。

对于用于本发明的永磁铁来说，那些传统的永磁体均是可以使用的。另一方面，永磁铁优选具有不小于0.8T的剩磁通密度(Br)，更好不小于1.0T，并且最优选不小于1.2T。

嵌于内磁体型转子的永磁铁不限于图1所示的矩形，而它可以是可嵌入该转子铁芯的弧形、片形、具有半圆柱形截面的形状等等。

安装在具有圆筒形套的表面磁体型转子上的其它永磁铁不限于图3中所示的形状，它可以是整体形成的单一环形磁体。

应注意的是，本发明旋转电机的转子不限于实施例中所具有的磁极数量和所提出的尺寸。而这些条件可根据实际的应用加以适当的确定，本发明的转子最适合于磁极数为4-100。

进一步地，尽管本发明旋转电机的各实施例中的转子对称安置各磁极于其周边表面侧上，其非对称的安置也是可以接受的。

通过上面的描述可以清楚地看到，按照本发明，可以获得下述优点。

a)旋转电机在低温范围下具有高效磁通量。

b)由于旋转电机包括转子铁芯或圆筒形套，该套由铁磁相和非磁相组成并且由单一材料制成，铁磁相具有最大磁通密度(Bs)，其足以将稀土元素型磁体的磁通以高效率引入定子，并且非磁相即使在低温范围内也是稳定的，所以旋转电机在使用永磁铁磁通效率方面得到改进，并且在低温范围内其有效磁通量也明显地得到改进。

c)本发明磁阻型旋转电机包括内置磁阻型多层转子铁芯，其结构简单并具有高可靠性，由于转子铁芯是由铁磁相和非磁相组成并由单一材料制成，所以铁磁相具有高的最大磁通密度(Bs)，并且非磁相即使在低温范围内也是稳定的。

Claims (6)

1.一种永磁场型旋转电机，其特征在于，其包括内置磁体型转子，它的转子铁芯具有多个安装在其中的永磁铁，其中所述转子铁芯由单一化学成分的材料组成，该材料由铁磁性和非磁性区组成，所述非磁性区是由重熔和凝固金属结构以及仅加热和冷却的金属结构组成，并且其位于所述转子铁芯产生漏磁的部分上。

2.按照权利要求1的永磁场型旋转电机，其特征在于，所述非磁性区包括不小于30vol％的重熔和凝固金属结构。

3.一种永磁场型旋转电机，其特征在于，其具有表面磁体型转子，所述转子包括转子铁芯、安装在所述转子铁芯周边表面上的永磁铁和套在所述永磁铁上的圆筒形套，其中所述圆筒形套由单一化学成分材料制成，所述材料由铁磁性和非磁性区组成，所述非磁性区由重熔和凝固金属结构和仅加热和冷却的金属结构组成，并且其位于圆筒形套产生漏磁的部分上。

4.按照权利要求3的永磁场型旋转电机，其特征在于，所述非磁性区包括不小于30vol％的重熔和凝固金属结构。

5.一种磁阻型旋转电机，其特征在于，其具有一转子，所述转子包括由单一化学成分材料制成的转子铁芯，所述材料由铁磁性和非磁性区组成，所述非磁性区是由重熔和凝固金属结构和仅加热和冷却的金属结构组成。

6.按照权利要求5的永磁场型旋转电机，其特征在于，所述非磁性区包括不小于30vol％的重熔和凝固金属结构。

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